吉順莉，陸萍

（江蘇航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010）

近年來，隨著全國交通基礎設施建設的日益加快，跨越通航水域的橋梁不斷增多，對于水中設墩的跨航橋梁，船舶碰撞跨河橋梁的風險日趨加大，且事故頻發(fā)。為了進一步提升通航橋區(qū)水域通航環(huán)境，有效防范船舶碰撞橋梁事故發(fā)生，本文結(jié)合某通航橋梁抗撞性能評估實例，為提升橋梁防撞能力提供支撐，保障跨河橋梁安全和船舶航行安全。

1 橋梁基本情況

該大橋是高速公路大橋，主跨為PC 變截面連續(xù)箱梁，橋梁中心線軸線與航道中心線夾角為15°，本橋所在航段航道等級為五級，規(guī)劃三級。

本橋為雙幅橋，全長903 .4 米，橋面全寬28m，采用預應力連續(xù)箱梁結(jié)構型式。橋梁共31 孔，中間第16#孔主跨雙向通航，單幅涉水橋墩2 個，共4 個。

橋梁結(jié)構立面圖、結(jié)構平面圖見圖1 至圖2 所示。

2 橋梁抗撞性能驗算

2.1 相關參數(shù)確定

2.1.1 驗算工況

依據(jù)交通運輸部指南相關要求，本次橋梁綜合評估抗撞性能驗算主要針對現(xiàn)狀設防代表船型開展，同時補充驗算了建設期工況及規(guī)劃航道等級對應船型驗算，具體船型噸級取值如表1：

表2 橋梁抗船撞設防目標

2.1.2 橋梁性能標準

橋梁抗撞性能標準是橋梁抗撞能力是否滿足的判別尺度，與橋梁的重要性等級、設防水準及構件性能等級息息相關。

本橋梁為高速公路上的大橋，依據(jù)《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》相關要求[1]，橋梁抗船撞設防目標均為P1，橋梁的總體結(jié)構和構件受船舶撞擊后其承載能力和通行能力均不能降低，各部構件均保持正常工作，船舶的撞擊過程中結(jié)構仍處于彈性階段，只能發(fā)生局部損傷（如保護層混凝土剝落等）影響橋梁的耐久性，需要進行耐久性的補修。

2.1.3 設防代表船型

驗算中提出的設防代表船型是作為計算橋墩、防撞設施船舶撞擊力使用，取單船作為計算船舶撞擊力的代表船型，本橋的代表船型為1000 噸級單船，兼顧90TEU 集裝箱船和1 拖+5×1000 拖帶船隊。代表船型尺度為60×10.8×2.5（長×寬×吃水，單位m）。

2.1.4 材料力學特性

（1）混凝土：通航孔主墩橋墩及承臺為C30混凝土，鉆孔樁為C30 水下混凝土，上部結(jié)構采用C50 混凝土，容重γ=26kN/m3，彈性模量分別為E=3.45x104MPa、E=3.00x104MPa。

（2）鋼筋：HRB400 鋼筋抗拉強度fsd=300MPa。

2.1.5 荷載

2.1.5.1 二期恒載

包括橋面混凝土鋪裝、瀝青鋪裝及依據(jù)橫向分布影響線分配的護欄荷載。

2.1.5.2 流水壓力

作用于橋墩上的流水壓力按《公路橋涵設計通用規(guī)范》第4 .3 .9 條計算[2]。

2.1.5.3 船舶撞擊力[3]

2.1.5.3.1 計算方法

通過對各規(guī)范船舶撞擊力理論、演變分析，并依據(jù)《橋梁通航安全風險及抗撞性能綜合評估工作及技術指南》相關要求，本橋梁的抗撞性能評估參照《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》，為了更準確地得到真實的橋梁抗撞性能，采用強迫振動法（動力法）進行抗撞性能分析驗算。

強迫振動方法可以提供更合理的船撞效應計算結(jié)果，是將船撞作用力的時程曲線施加于橋墩上，進行時程分析得到橋梁的響應。

2.1.5.3.2 船舶撞擊速度

橋梁的設防船撞力與設防代表船型及船舶撞擊速度息息相關，本橋梁船舶撞擊速度是根據(jù)橋區(qū)水域的實測數(shù)據(jù)確定，對各橋梁過橋船舶速度進行實測，船舶過橋航速在1.7m/s～3.7m/s 之間，參照AIS 系統(tǒng)，選取不同時段具有代表性的過橋航速作為本次設計的船舶撞擊速度，同時參照《上海市內(nèi)河跨航道橋梁水中墩防撞（護）設計導則》的相關規(guī)定，Ⅱ～Ⅴ航道防撞速度取3.61m/s，Ⅵ～Ⅶ航道取2.77m/s，綜合考慮，取該大橋船舶過橋航速為3.6m/s。

2.1.5.3.3 船舶排水量

采用5%準則確定，即取95%分位對應的船舶在載重噸作為計算船舶撞擊力載重噸。

船舶排水量＝載重噸/0.75=1933 噸。

2.1.5.3.4 船舶撞擊作用點

根據(jù)《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》《公路橋涵設計通用規(guī)范》取設計最高通航水位線以上2.0m 位置作為撞擊力作用點。

2.1.5.4 活載

（1）汽車荷載：按原設計文件，根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》規(guī)定取用，公路一Ⅰ級。

（2）汽車沖擊力：汽車荷載考慮沖擊系數(shù)，按《公路橋涵設計通用規(guī)范》第4.3.2 條取用。

2.1.6 荷載組合

根據(jù)《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.2 條規(guī)定，船撞力作用效應是考慮船撞作用的偶然組合下的作用效應設計值，考慮的作用包括永久作用標準值、流水壓力標準值、汽車荷載標準永久值及設防船撞力，船舶撞擊的荷載組合為：1.0 永久作用標準值＋1.0 設防船撞力標準值＋1.0 水流、波浪壓力標準值＋0.4 汽車荷載標準值（考慮沖擊系數(shù)）[7]。

2.1.7 樁—土相互作用

樁側(cè)土對樁基的約束效應采用土彈簧來進行模擬（節(jié)點彈性支承），土彈簧剛度計算采用《公路橋涵地基及基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019）中給定的"m"法計算[4]。

2.1.8 邊界條件

連接橋梁上、下 部結(jié)構的支座采用彈性連接模擬，支座約束特性通過輸入的彈性連接剛度模擬；支座與上、下部結(jié)構之間通過主從約束連接：蓋梁與橋墩、承臺與樁基之間均通過主從約束連接。

2.1.9 結(jié)構重要性系數(shù)

結(jié)構重要性系數(shù)取為1.0（偶然組合）。

2.2 抗撞性能驗算結(jié)果

2.2.1 模型建立

通過Midas/Civil 建立全橋有限元模型，共離散為807 個單元，840 個節(jié)點，其中主梁、橋墩、樁基等均采用梁單元模擬[5]，并模擬樁—土相互作用，計算模型如圖3 所示。

圖3 該大橋抗撞性能分析模型

2.2.2 基于現(xiàn)狀設防代表船型橋梁抗撞性能驗算

依據(jù)有限元分析結(jié)果，本橋考慮船舶撞擊力的偶然組合作用下的作用響應分析包括橋墩、樁基礎及支座等，如下所示。

2.2.2.1 橋墩強度

船撞作用偶然組合下橋墩剪力、彎矩及軸力包絡見圖4 所示。

圖4 大橋橋墩響應包絡圖（kN）

船撞作用偶然組合下橋墩最不利位置強度驗算結(jié)果見表3 所示。

表3 大橋橋墩強度驗算結(jié)果表

表4 橋墩變形能力驗算

經(jīng)計算，通呂運河大橋橋墩順橋向軸壓比為0 .075＜0 .5，墩柱順橋向剪跨比為1.7 ＞ 1.5，根據(jù)《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）第4.3.3條及附錄A.1.3 規(guī)定進行橋墩變形驗算。

2.2.2.2 樁基強度

大橋樁基順橋向、橫橋向均屬于矮墩，按《公路橋梁抗震設計規(guī)范》（JTG/T2231-01-2020）、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）、《公路橋梁抗撞》、《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020）驗算偶然組合下樁基強度。

船撞作用偶然組合下樁基抗剪、抗壓承載力驗算結(jié)果見表5。

表5 大橋樁基強度驗算結(jié)果表

2.2.2.3 樁基豎向承載力

大橋樁基豎向承載力驗算結(jié)果見表6 所示。

表6 大橋樁基豎向承載力驗算結(jié)果表

2.2.2.4 樁基位移

依據(jù)《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》（JTG 3363-2019），驗算橋墩樁基沖刷線處位移，見表7 所示。

表7 大橋樁基沖刷線處位移驗算結(jié)果表

2.2.2.5 支座

依據(jù)《公路橋梁抗撞設規(guī)范》（JTG/T 3360-02-2020），對通航孔主墩盆式支座水平位移及水平承載力進行驗算，見表8 所示。

表8 大橋盆式支座驗算結(jié)果表

3 結(jié)論

依據(jù)相關規(guī)范，船撞作用偶然組合下對該大橋橋墩、樁基及支座進行抗撞性能驗算，主要結(jié)論如下：

（1）按照原建設期《公路橋涵設計通用規(guī)范》對應Ⅲ級航道設防標準，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規(guī)范要求。

（2）按照現(xiàn)狀設防代表船型，參照《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》相關條文進行驗算，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規(guī)范要求。

（3）按照規(guī)劃航道等級對應代表船型，參照《公路橋梁抗撞設計規(guī)范》相關條文進行驗算，橋梁抗撞承載能力及變形滿足規(guī)范要求。